Development of a finite volume model suitable for studying riverine and coastal morphodynamics

Comprehension of sediment dynamics is peculiar in riverine and coastal management. In fact morphological evolution has a strong influence not only in the environmental equilibrium but also in the economic activities like navigation or tourism In literature, this problem has been widely studied and debated, and a great number of experimental and analytical theories have been proposed, valid either for granular or cohesive sediments. One of the most useful instruments available in sediment transport study is morphodynamic modelling, which couples the hydrodynamic problem with the sediment transport problem, taking into consideration the basin's morphological evolution. Although different numerical models have been presented in literature, they often have several limits. Some of them are in fact commercial codes and result too much expensive for many scientific and technical purposes. Others are based on too much restrictive hypothesis and can't thus describe adequately complex areas, such as lagoons, where wet-dry transition play an important role. Still others are not able to consider together phenomena typical of coastal areas, like wave effects, slope avalanching and secondary flow effects. In order to get a general overview of the river and coastal morphodynamic problem, in the present work a new morphodynamic model has been developed and described. Two main porpouses are reached: the former is to reduce, as much as possible, calibration parameters; the latter is the possibility to compare several theoretical approaches available in literature for the sediment transport problem. This work is structured as follows. The first part is dedicated to the discussion of the bed shear stress computation problem. In the second part, different theoretical and experimental studies in sediment transport are illustrated. In the last part, the morphodynamic model is presented, described and validated.

La comprensione della dinamica dei sedimenti è di primaria importanza nella gestione delle aree costiere e fluviali. L'evoluzione morfologica di tali regioni, infatti, ha un forte impatto sia sull'equilibrio ambientale che su attività economiche quali ad esempio la navigazione o il turismo. In letteratura, tale fenomeno è stato ampiamento studiato e dibattuto, e un numero rilevante di diverse teorie è stato proposto, sia di natura analitica che sperimentale, valide alternativamente per sedimenti sedimenti granulari o sedimenti coesivi. Uno degli strumenti più utili nello studio del trasporto solido è la modellazione morfodinamica, che accoppia il problema idrodinamico al problema del trasporto solido stesso e all'evoluzione morfologica del bacino in esame. Sebbene diversi modelli numerici siano già stati presentati in letteratura, spesso hanno diversi limiti: alcuni sono codici comerciali, risultando troppo costosi per molti degli scopi tecnici e scientifici che possono avere. Altri sono basati su ipotesi troppo restrittive per descrivere adeguatamente aree complesse, come ad esempio le lagune, dove la transizione asciutto-bagnato riveste un ruolo di primaria importanza, o non sono in grado di considerare contemporaneamente fenomeni tipici delle aree costiere, come l'effetto del moto ondoso, l'instabilità delle sponde e l'effetto delle correnti secondarie. Allo scopo di ottenere una visione generale del problema del trasporto solido in ambiente fluviale e costiero, nel presente lavoro è stato sviluppato e descritto un nuovo modello morfodinamico. Sono stai perseguiti due principali obiettivi: ridurre il più possibile il numero dei parametri di calibrazione e avere la possibilità di confrontare diverse delle teorie disponibili per la risoluzione del trasporto solido. In questa tesi si pone l'attenzione innanzitutto al problema del calcolo dello stress al fondo. In secondo luogo vengono illustrati numerosi studi, teorici e sperimentali, riguardanti il trasporto solido. Infine, viene descritto il modello morfodinamico e viene presentata la sua validazione.